第五章

燃燒過程的理論基礎(chǔ)第五章

燃燒過程的理論基礎(chǔ)

化學(xué)反應(yīng)速度

化學(xué)反應(yīng)速度

固體燃料的燃燒

煤燃燒的四個階段

煤和煤粉的燃燒特點

煤粉氣流的著火與燃燒

著火與熄火的熱力條件煤粉氣流的著火及影響因素

影響反應(yīng)速度的因素

焦碳的燃燒

煤粉氣流著火熱源完全燃燒的條件第五章燃燒理論基礎(chǔ)2化學(xué)反應(yīng)速度影響反應(yīng)速度的因素第五章燃燒理論基礎(chǔ)2化學(xué)反應(yīng)速度在反應(yīng)系統(tǒng)單位體積中物質(zhì)（反應(yīng)物或生成物)濃度的變化率，單位是mol/（cm3·s）對于反應(yīng)式A＋B→G＋H

反應(yīng)速度為

CA、CB、CG、CH

分別為反應(yīng)物A、B和生成物G、H的濃度，mol/cm3

α、β、γ、δ分別為相應(yīng)的化學(xué)計量系數(shù)

燃燒反應(yīng)是一種發(fā)光放熱的高速化學(xué)反應(yīng)，同時伴隨各種物理過程

均相燃燒

燃料和氧化劑物態(tài)相同，如氣體燃料在空氣中燃燒

多相燃燒

燃料和氧化劑物態(tài)不同，如固體燃料在空氣中燃燒第一節(jié)化學(xué)反應(yīng)速度3化學(xué)反應(yīng)速度在反應(yīng)系統(tǒng)單位體積中物質(zhì)（反應(yīng)物或生成一、質(zhì)量作用定律反映濃度對化學(xué)反應(yīng)速度的影響對于均相反應(yīng)，在一定溫度下，化學(xué)反應(yīng)速度與參加反應(yīng)各反應(yīng)物濃度乘積成正比，各反應(yīng)物濃度的冪指數(shù)等于其相應(yīng)的化學(xué)計量系數(shù)

對反應(yīng)A＋B→G＋H質(zhì)量作用定律可用下式表示

式中：k為反應(yīng)速度常數(shù)，表示單位物質(zhì)濃度時的反應(yīng)速度，對于一定的化學(xué)反應(yīng)，只取決于溫度。

在溫度不變的情況下，反應(yīng)物的濃度越高，分子的碰撞機會越多，化學(xué)反應(yīng)速度就越快。均相反應(yīng)質(zhì)量作用定律4一、質(zhì)量作用定律對反應(yīng)A＋B→G＋H二、多相燃燒反應(yīng)

在固體表面進行，固體燃料濃度不變（CA=常數(shù)），故多相反應(yīng)速度w是指在單位時間、單位表面上反應(yīng)物（氣相）濃度的變化率

式中fA－單位容積兩相混合物中固相物質(zhì)的表面積；

CB－氣相反應(yīng)物質(zhì)的濃度，mol/m3第一節(jié)化學(xué)反應(yīng)速度5二、多相燃燒反應(yīng)式中fA－單位容積兩相混合物中固相物質(zhì)的表

三、阿氏定律

反映溫度對化學(xué)反應(yīng)速度的影響反應(yīng)物濃度不變時，反應(yīng)速度常數(shù)k隨溫度變化的關(guān)系

式中k0－頻率因子，近似為一常數(shù)

R、T、E－通用氣體常數(shù)、熱力學(xué)溫度、活化能第一節(jié)化學(xué)反應(yīng)速度6三、阿氏定律反映溫度對化學(xué)反應(yīng)速度的影響反應(yīng)活化能E

能夠破壞原有化學(xué)鍵并建立新化學(xué)鍵所必須消耗的能量，具有活化能的分子為活化分子。活化能E與反應(yīng)物種類有關(guān)，揮發(fā)分含量小的煤，E大在一定的溫度下，活化能E越大，則反應(yīng)速度常數(shù)k值越小，反應(yīng)速率越小；而在一定的活化能E下，溫度越高，則反應(yīng)速度常數(shù)k值越大，反應(yīng)速率越大阿累尼烏斯定律Kg/(m2.s.Pa)7活化能E能夠破壞原有化學(xué)鍵并建立新化學(xué)鍵所必須消耗的在反應(yīng)容積不變的情況下，反應(yīng)系統(tǒng)壓力增高，就意味著反應(yīng)物濃度增加，化學(xué)反應(yīng)速度增加

壓力對反應(yīng)速度的影響8在反應(yīng)容積不變的情況下，反應(yīng)系統(tǒng)壓力增高，就意味著反應(yīng)物濃度

預(yù)熱干燥

煤被加熱至100℃左右，煤粒表面及煤?？p隙間的水被逐漸蒸發(fā)出來。大量吸熱

揮發(fā)份析出并著火

溫度升至一定值，煤中揮發(fā)分析出，同時生成焦碳（固定碳）。揮發(fā)分的釋放量及成分主要取決于升溫速度。不同的煤，開始析出揮發(fā)分的溫度不同，達(dá)到一定溫度，析出的揮發(fā)分就著火、燃燒。對應(yīng)的溫度稱煤的著火溫度，不同煤的著火溫度不同。少量吸熱

第二節(jié)煤燃燒過程的四個階段9預(yù)熱干燥煤被加熱至100℃左右，煤粒表面及煤?？p隙間

燃燒

揮發(fā)份首先燃燒造成高溫，包圍焦炭的揮發(fā)分基本燒完且燃燒產(chǎn)物離析后，碳開始著火、燃燒。大量放熱

燃盡

殘余的焦炭最后燃盡，成為灰渣。燃盡階段的燃燒反應(yīng)進行緩慢，易造成Q4；少量放熱上述各階段實際是交叉進行的；其中著火和燃盡是最重要的兩個階段，著火是前提，燃盡放熱是目的

煤燃燒過程的四個階段10燃燒揮發(fā)份首先燃燒造成高溫，包圍焦炭的揮發(fā)分基本燒完

煤粉氣流的著火由緩慢的氧化狀態(tài)轉(zhuǎn)化到快速的燃燒狀態(tài)的瞬間過程稱為著火，轉(zhuǎn)變時的瞬間溫度稱為著火溫度

煤粉氣流著火、熄火的熱力條件

煤粉氣流燃燒時要放出熱量，同時又向周圍介質(zhì)散熱。這兩個互相矛盾過程的發(fā)展，可能使燃燒過程發(fā)生（著火）或者停止（熄火）第三節(jié)著火和熄火的熱力條件11煤粉氣流的著火由緩慢的氧化狀態(tài)轉(zhuǎn)化到快速的燃燒

燃燒過程中向周圍介質(zhì)的散熱量Q2為式中V、F―分別為煤粉空氣混合物容積和燃燒室壁面面積

α―混合物向燃燒室壁面的綜合放熱系數(shù)

T、Tb―分別為反應(yīng)系統(tǒng)溫度和燃燒室壁面溫度

燃燒室內(nèi)煤粉空氣混合物燃燒時的放熱量Q1為第三節(jié)著火和熄火的熱力條件12燃燒過程中向周圍介質(zhì)的散熱量Q2為式中V、F―分別為放熱曲線Q1是一條指數(shù)曲線，散熱曲線Q2接近于直線點2對應(yīng)的溫度即為著火溫度Tzh

Tb=Tb1（很低），散熱線

與Q1交點1為穩(wěn)定平衡點，煤粉處于低溫緩慢氧化狀態(tài)

Tb=Tb2，散熱線

與Q1交點2為不穩(wěn)定平衡點，只要稍增加系統(tǒng)的溫度，Q1>Q2

，反應(yīng)將自動加速過渡到點3高溫穩(wěn)定平衡點，此時，只要保證煤粉和空氣的不斷供應(yīng)，最后將穩(wěn)定在高溫燃燒狀態(tài)煤粉氣流的著火溫度13放熱曲線Q1是一條指數(shù)曲線，散熱曲線Q2接近于直線點2對應(yīng)的

Tzh

、Txh是在一定測試條件下的相對特征值，Txh大于Tzh。

強化著火的措施

在散熱條件不變的情況下，增加可燃混合物的初溫、濃度和壓力，加強放熱在放熱條件不變時，提高燃燒室的保溫，減少放熱

Tb=Tb2、強化散熱，散熱線與Q1交點4為不穩(wěn)定平衡點，只要反應(yīng)系統(tǒng)溫度稍降低，Q1<Q2

，反應(yīng)系統(tǒng)溫度急劇下降過渡到點5低溫穩(wěn)定平衡點，此時，煤粉只能產(chǎn)生緩慢地氧化，而不能著火和燃燒，從而使燃燒過程中止（熄火）點4對應(yīng)的溫度即為熄火溫度Txh

煤粉氣流的熄火溫度14Tzh、Txh是在一定測試條件下的相對特征值，Txh

煤中含有水分

煤的燃燒過程中，水蒸氣很易和C及燃燒產(chǎn)物CO作用，生成CO2和H2，H2再與CO或CO2反應(yīng)。這種催化作用，使燃燒反應(yīng)更加復(fù)雜并改變化學(xué)反應(yīng)速度

煤中含有揮發(fā)分揮發(fā)分在燃燒初期由于其能夠在低溫下析出并燃燒，釋放出大量的熱量，提高反應(yīng)系統(tǒng)的溫度，對煤的著火燃燒有利；但另一方面，揮發(fā)分析出燃燒，消耗了大量氧氣，并增加了氧氣向煤粒表面的擴散阻力，使燃燒過程的初期焦碳的燃燒速度下降煤的燃燒特點15煤中含有水分煤的燃燒過程中，水蒸氣很易和C及燃燒產(chǎn)

煤中含有礦物雜質(zhì)在燃燒過程會生成灰，灰層包裹著碳粒，會妨礙氧向碳粒表面的擴散，或使碳粒反應(yīng)表面減少，使燃燒難以進行，燃盡困難

煤是一種多孔性物質(zhì)

它受熱時產(chǎn)生的水蒸氣和揮發(fā)分，不但向煤粒表面四周的空間擴散，而且還會向煤粒的內(nèi)部空隙擴散.煤的燃燒特點16煤中含有礦物雜質(zhì)在燃燒過程會生成灰，灰層包裹著碳粒，鍋爐燃用煤粉的顆粒很?。?0～100μm），爐膛溫度又很高，煤粉在爐膛中的加熱速度可以達(dá)到（104℃/s或更高），總的揮發(fā)分釋放時間小于1秒，而且揮發(fā)分很快地由炭粒表面逸出

煤粉快速加熱時，揮發(fā)分析出、著火和碳的著火燃燒幾乎是同時的，其中極小的煤粉甚至可能先著火燃燒四個階段不明顯，揮發(fā)分析出過程幾乎延續(xù)到燃燒的最后階段煤粉火焰中揮發(fā)分的析出曲線

第六節(jié)煤粉的燃燒特點17鍋爐燃用煤粉的顆粒很?。?0～100μm），爐膛溫度又很高，煤粉氣流著火熱源

煤粉氣流卷吸回流的高溫?zé)煔?；火焰、爐墻等對煤粉的輻射式中：r、m、c

―分別為煤粉半徑(m)、密度(kg/m3)和比熱(J/(kg·℃))；

Tm、Th―分別為煤粉氣流溫度(K)、火焰溫度(K)Ty

—回流煙氣溫度(K)τ―煤粉加熱時間(s)；

a―煙氣對煤粉的對流放熱系數(shù)，(W/(m2·℃))；

―煤粉和周圍介質(zhì)的系統(tǒng)黑度；右邊第一項是高溫回流煙氣的對流熱；第二項是火焰、爐墻等的輻射熱煤粉的加熱方程式煤粉氣流的著火熱源18煤粉氣流著火熱源煤粉氣流卷吸回流的高溫?zé)煔?；火焰、爐墻等

細(xì)煤粉溫升比粗煤粉快得多；煤粉氣流的著火主要是靠高溫回流煙氣的加熱

煤粉氣流由初溫T0加熱到著火溫度Tz所需時間τz分別為

輻射為主要熱源（曲線2）

高溫回流煙氣的對流熱為主要熱源（曲線1）煤粉氣流的著火熱源19細(xì)煤粉溫升比粗煤粉快得多；煤粉氣流由初溫T0加熱到著火溫度式中Br―每臺燃燒器的燃料消耗量，kg/hr―燃燒器送入爐內(nèi)的空氣所對應(yīng)的過量空氣系數(shù)

rl―一次風(fēng)量占爐膛出口相應(yīng)總風(fēng)量的百分比；c1K、Cq、cd―一次風(fēng)、蒸汽及煤的比熱，J/Nm3·K）

Mar、Mmf―煤的收到基水分，%、煤粉的水分，%Tzh―著火溫度，KT0―煤粉一次風(fēng)氣流初溫，K煤粉氣流的著火熱:

將煤粉氣流加熱到著火溫度所需的熱量對于熱風(fēng)送粉，煤粉氣流的著火熱為煤粉氣流著火熱20式中Br―每臺燃燒器的燃料消耗量，kg/h煤粉

第一項為加熱煤粉和一次風(fēng)所需熱量第二項為煤粉中水分蒸發(fā)、過熱所需熱量上式可見，著火熱隨燃料性質(zhì)（如著火溫度，燃料水分、灰分、煤粉細(xì)度）和運行工況（煤粉氣流初溫、一次風(fēng)率和風(fēng)速）有變化有關(guān)。還與燃燒器結(jié)構(gòu)和負(fù)荷有關(guān)。煤粉氣流著火熱21第一項為加熱煤粉和一次風(fēng)所需熱量煤粉氣流著火熱21

燃料的性質(zhì)揮發(fā)分含量Vdaf?。凰?、灰分含量高；煤粉粗，則煤粉氣流著火溫度提高，著火熱增大，著火所需時間長，著火點離開燃燒器噴口的距離增大

爐內(nèi)散熱條件減少爐內(nèi)散熱，有利于著火。敷設(shè)衛(wèi)燃帶是穩(wěn)定低揮發(fā)分煤著火的有效措施，但需預(yù)防結(jié)渣

煤粉氣流的初溫提高初溫T0可減少著火熱。燃用低揮發(fā)分煤時應(yīng)采用熱風(fēng)送粉制粉系統(tǒng)，提高預(yù)熱空氣溫度煤特性、散熱條件及初溫對著火的影響22燃料的性質(zhì)爐內(nèi)散熱條件煤粉氣流的初溫煤特性、散熱條件及

一次風(fēng)量V1

（V0

r

γ1

）

V1過大，著火熱增加，著火延遲

V1過低，燃燒初期由于缺氧，化學(xué)反應(yīng)速度減慢，阻礙著火繼續(xù)擴展

V1在最佳值范圍內(nèi)選取

一次風(fēng)速w1

w1過高，通過單位截面積的流量增大，降低煤粉氣流的加熱速度，著火距離加長，著火推遲

w1過低，燃燒器噴口易燒壞，煤粉管道堵塞

w1在最佳值范圍內(nèi)選取，與煤種及燃燒器型式有關(guān)。一次風(fēng)量、一次風(fēng)速對著火的影響23一次風(fēng)量V1（V0rγ1）一次風(fēng)速w1

鍋爐負(fù)荷D

D降低，煤耗量B相應(yīng)減少，水冷壁總的吸熱量Q也減少，但減少的幅度較小，故Q/B反而增加，爐膛平均煙溫及燃燒器區(qū)域煙溫降低，對煤粉氣流著火不利，當(dāng)鍋爐負(fù)荷降到一定程度時，會危及著火的穩(wěn)定性，甚至可能引起熄火

著火穩(wěn)定性條件限制了煤粉鍋爐負(fù)荷的調(diào)節(jié)范圍。一般在沒有其他穩(wěn)燃措施條件下，固態(tài)排渣煤粉爐只能在高于70%額定負(fù)荷下運行鍋爐的負(fù)荷對著火的影響24鍋爐負(fù)荷D著火穩(wěn)定性條件限制了煤粉鍋爐負(fù)荷的調(diào)節(jié)范圍。

供應(yīng)充足而適量的空氣量α爐膛出口過?？諝庀禂?shù)

可代表空氣量對燃燒過程的影響煤粉氣流完全燃燒的條件

值影響q2、q3

和q4在一定范圍內(nèi)減小，q2降低，但q3

、q4

會增加

最佳應(yīng)使(q2

+q3

+q4)為最小通過燃燒調(diào)整試驗確定，并在運行中盡量保持該值對煙煤，可取=1.15對無煙煤、貧煤，可取=1.225供應(yīng)充足而適量的空氣量α煤粉氣流完全燃燒的條件值影

保證足夠的爐膛溫度

爐溫高，著火快，燃燒速度快，燃燒過程便進行得猛烈，燃燒也易于趨向完全

爐溫過高，不但會引起爐內(nèi)結(jié)渣，也會引起水冷壁的膜態(tài)沸騰

爐溫在（1000～2000℃）范圍內(nèi)比較適宜

促進燃料與空氣充分混合煤粉完全燃燒應(yīng)使煤粉和空氣充分?jǐn)_動混合。要求燃燒器的結(jié)構(gòu)特性優(yōu)良，一、二次風(fēng)配合良好，爐內(nèi)空氣動力場均勻煤粉氣流完全燃燒的條件26保證足夠的爐膛溫度促進燃料與空氣充分混合煤粉氣流完全燃

保證足夠的停留時間τ煤粉在爐內(nèi)的停留時間τ煤粉自燃燒器出口至爐膛出口所經(jīng)歷的時間

τ過小，由于煤粉至爐膛出口處還沒有燒完，但爐膛出口后溫度降低會使燃燒基本停止，造成燃燒熱損失增大；同時引起爐膛出口處過熱器超溫和結(jié)渣

τ取決于爐膛容積熱強度、爐膛截面熱強度和鍋爐運行負(fù)荷煤粉氣流完全燃燒的條件27保證足夠的停留時間τ煤粉氣流完全燃燒的條件27（1）氧氣從外界擴散到炭粒周圍，氧氣通過灰殼的阻力，到達(dá)炭粒的表面；（2）氧氣吸附在炭粒表面；（3）高溫下，炭粒和氧進行化學(xué)反應(yīng)，生成CO2和CO，同時不可燃物生成灰渣（灰殼的一部分）；焦碳燃燒按下述五程序進行第七節(jié)焦碳燃燒的動力學(xué)特性28（1）氧氣從外界擴散到炭粒周圍，氧氣通過灰殼的阻力，到達(dá)炭焦碳燃燒按下述程序進行（4）燃燒產(chǎn)物（CO2和CO）從炭粒表面上解吸析；（5）燃燒產(chǎn)物通過灰殼阻力向外擴散，其中CO2直接擴散在周圍空氣中，CO在擴散過程中遇氧氣又變成CO2

，然后再向遠(yuǎn)處空氣中擴散焦碳燃燒的動力學(xué)特性29焦碳燃燒按下述程序進行（4）燃燒產(chǎn)物（CO2和CO）從炭

焦碳的燃燒反應(yīng)速度的影響因素可以是化學(xué)的（氧與碳化學(xué)反應(yīng)速度）；也可以是物理擴散的（氧向碳粒表面的轉(zhuǎn)移擴散速度）在上述五個階段中，吸附階段(2)和解吸附階段(4)進行得最快，燃燒產(chǎn)物離開碳表面、擴散出去的階段(5)也較快，比較慢而最主要的是氧向碳粒表面的轉(zhuǎn)移擴散階段(1)和氧在碳表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的階段(3)這兩個階段。焦碳燃燒的動力學(xué)特性30焦碳的燃燒反應(yīng)速度的影響因素可以是化學(xué)的（氧與碳化學(xué)反應(yīng)焦碳的燃燒反應(yīng)速度取決于溫度、焦碳顆粒尺寸、氧氣濃度、環(huán)境壓力和氣體與焦碳顆粒之間的相對速度等 式中：mp―焦碳顆粒質(zhì)量；

ρp―焦碳粒顆密度；

P―壓力；

χ02―氧氣濃度；

d―焦碳顆粒的直徑；

k―焦碳顆粒的反應(yīng)速率常數(shù)碳的燃燒反應(yīng)速度31焦碳的燃燒反應(yīng)速度取決于溫度、焦碳顆粒尺寸、氧氣濃度、環(huán)境壓反應(yīng)速度常數(shù)k

取決于碳粒表面的化學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)kC和氧的擴散速度常數(shù)kD

其中

式中A為反應(yīng)前置系數(shù)；R為通用氣體常數(shù)

d為碳粒直徑；

D為氧氣擴散系數(shù)；

為化學(xué)當(dāng)量因子。若主要產(chǎn)物是CO2，則等于1；若主要產(chǎn)物是CO，則等于2；

TP、T